Biologia 2 PDF

BIOLOGIA 07/10 BIOLOGIA = scienza che studia gli organismi viven8 e i loro rappor8 con l’ambiente circostante. La materia vivente presenta il DNA, molecola che con8ene istruzioni necessarie per lo sviluppo correBo dell’organismo. QUALI SONO LE CARATTERISTICHE DELLA MATERIA VIVENTE? COMPLESSITÀ —> gli esseri viven8 sono più complessi di un organismo non vivente, a diﬀerenza loro siamo caraBerizza8 dalla BIODIVERSITÀ, sia dal punto di vista este8co che interiore ed è costante nel tempo e nello spazio. Se non ci fosse stata biodiversità, a contaBo con malaVe mortali la nostra razza si sarebbe es8nta. La biodiversità è un fenomeno evolu8vo estremamente vantaggioso che permeBe ad una specie l’adaBamento all’ambiente esterno. Quando si parla di riduzione di una specie, signiﬁca che, anche se essi si possono riprodurre, la biodiversità diminuisce. La BIODIVERSITÀ è importante per poter SOPRAVVIVERE (è una risorsa). La biodiversità è causata dall’esistenza di macromolecole informazionali (che contengono colte informazioni); il DNA è il composto chimico dove è depositata l’informazione, deBa INFORMAZIONE GENETICA. La diversità è dovuta a piccole variazioni contenute all’interno del genoma, queste ‘’piccole variazioni’’ si veriﬁcano a livello proteico e provocano la manifestazione a livello feno8pico di caraBeri diﬀeren8, la riproduzione sessuata crea molta variabilità nella specie. Durante l’evoluzione si sono accumulate un numero elevato di modiﬁche che hanno determinato il passaggio da prima8 a organismi superiori. L’acquisizione di biodiversità non è per forza vantaggiosa, può essere anche deleteria. CAPACITÀ DI ACCRESCIMENTO —> gli organismi crescono e si sviluppano in modo controllato e limitato. Gli organismi unicellulari sono in grado di aumentare la propria massa ﬁno a dove l’aumento è tollerato. Lo sviluppo è ‘’programmato’’, un’unica cellula cresce, si duplica e si diﬀerenzia. Per far sì che il ‘’programma di accrescimento’’ si veriﬁchi è necessario il nutrimento, esso da energia per le reazioni biochimiche che avvengono all’interno della cellula, grazie alle quali le cellule sono in grado di accrescersi. L’energia non è introdoBa soBo forma di calore ma grazie all’evoluzioni di sistemi proteici che abbassano l’energia di aVvazione di una reazione (ENZIMI) che permeBono di far avvenire le reazioni. In ogni organismo si svolgono solo le reazioni per le quali esso è in grado di produrre il corrispondente enzima. Per poter crescere gli organismi viven8 devono essere in grado di trasformare i compos8 inorganici in compos8 organici speciﬁci di ciascun organismo e di produrre energia dalla materia da u8lizzare nelle reazioni. CAPACITÀ DI AUTORIPRODUZIONE —> abbiamo due 8pi di riproduzione, quella asessuata (scissione binaria, cioè si dividono) e quella sessuata. Nella prima si generano solo e soltanto cellule ﬁglie uguali a sé stesse e si possono diversiﬁcare solo aBraverso delle mutazioni casuali e rare; mentre nella seconda si uniscono genomi diversi per darne un terzo, che avrà caraBeris8che uniche per il singolo individuo (ad eccezione dei gemelli omozigo8). Questa capacità serve a tramandare l’informazione gene8ca di ciascun organismo; ad assicurare una precisa ripar8zione del genoma tra le cellule ﬁglie abbiamo la MEIOSI e la MITOSI. Esistono meccanismi precisi che consentono la distribuzione correBa del materiale gene8co (eventuali sbilanciamen8 generano situazioni che non permeBono la vitalità dell’individuo). ADATTAMENTO ALL’AMBIENTE —> l’adaBamento all’ambiente è la predisposizione di un individuo di vivere e avere una determinata capacità riproduVva in un determinato ambiente. Il faBo che noi siamo più adaV ad un certo sport rispeBo che ad un altro è dovuto in parte dalle nostre informazioni gene8che e in parte alle modiﬁche che ci induce l’ambiente; queste a diﬀerenza delle modiﬁche del DNA, che se sono vantaggiose vengono selezionate e trasmesse, non possono venir tramandate. Esistono due teorie sull’adaBamento: Lamarck (l’ambiente induce modiﬁche successivamente trasmesse) e Darwin (la biodiversità osservata è dovuta a modiﬁche nel DNA vantaggiose che vengono successivamente selezionate dall’ambiente e poi trasmesse se ‘’più adaBe’’ per la sopravvivenza in quel determinato ambiente). COME È ORGANIZZATA LA BIOLOGIA? L’organizzazione biologica è GERARCHICA, ogni livello ha proprietà emergen8, caraBeris8che non presen8 ai livelli inferiori. Il tuBo è la somma delle singole par8. Possiamo riconoscere diversi livelli: planetario, chimico, biologico ed ecologico. QUAL È L’UNITÀ FONDAMENTALE DELLA MATERIA VIVENTE? L’unità fondamentale della materia vivente è la CELLULA, la più piccola unità capace di vita indipendente. TuV gli organismi viven8 sono cos8tui8 da cellule, unità funzionali in grado di esplicare tuBe le funzioni vitali, esclusi i virus. Ogni cellula si crea esclusivamente per divisione di cellule preesisten8 (omnis cellula e cellula). TuV gli organismi sono cos8tui8 da una (unicellulari) o più cellule (pluricellulari), che ne cos8tuiscono le unità funzionali. La composizione chimica di una cellula ba0erica (procariote), la vede divisa in 70% di acqua e 30% di: macromolecole (polisaccaridi, proteine, RNA e DNA), fosfolipidi e piccole molecole (ioni). I componen8 chimici della cellula si classiﬁcano in compos8 organici (ca8oni e anioni) e inorganici (acqua e ioni minerali). La composizione della materia vivente è: acqua, ioni e compos8 organici (compos8 del CARBONIO). L’ACQUA (H2O) L’acqua è la maggior cos8tuente della materia vivente. Viene usata negli organismi più complessi per il mantenimento dell’omeostasi corporea. Cos8tuita da due molecole di H ed una di O. Nella sua molecola osserviamo degli organuli che galleggiano in un gel, deBo citoplasma. La vita ha avuto origine nell’acqua ed è essenziale per la vita: la terra è il pianeta dell’acqua e mol8 organismi vivono in essa la materia vivente ha evoluto numerosi meccanismi che sfruBano le sue caraBeris8che (vantaggi ﬁsiologici) l’acqua è indispensabile a tuV gli organismi viven8, che ne devono usufruire costantemente l’acqua è la sostanza più abbondante nelle cellule (come soluzioni acquose). Nel citoplasma, cos8tuito in maggior parte da acqua, avvengono tuBe le reazioni principali. Proprietà dell’acqua: - Polarità —> la polarità dipende dalla distribuzione delle cariche eleBriche tra l’ossigeno e gli atomi di idrogeno. Essendo una molecola polare è un oVmo solvente per solu8 ionici e polari. La molecola è eleBronega8va e circondata da una nuvola eleBronica con una carica parziale posi8va e una nega8va (ossigeno = nega8va, aVra gli eleBroni; idrogeno = posi8va, cede gli eleBroni). I LEGAMI A IDROGENO (legami deboli) si formano tra un atomo di idrogeno e un atomo eleBronega8vo (ossigeno, azoto, ﬂuoro), di molecole diverse o della stessa molecola. Ciascuna molecola d’acqua può formare legami a idrogeno con un massimo di quaBro molecole di acqua, formando così uno stato di coesione. - Coesione —> la formazione di legami a idrogeno permeBe all’acqua di mantenere le molecole coese; questa proprietà spiega alcune caraBeris8che dell’acqua come la tensione superﬁciale (alcuni inseV possono camminare sull’acqua) e il suo elevato punto di ebollizione. - Adesione —> è dovuta ai legami a idrogeno tra l’acqua e altre sostanze polari. L’acqua può aderire a diverse superﬁci. - Capillarità —> coesione + adesione spiegano la capillarità dell’acqua, cioè la capacità dell’acqua di combaBere la forza di gravità risalendo all’interno dei tubi molto soVli (es. idratazione delle piante). Un tubo parzialmente polarizzato (fenomeno adesione) e l’acqua ha una rilevante tensione superﬁciale (fenomeno di coesione) ne permeBono la risalita. - Alto calore speciﬁco —> CALORE SPECIFICO = quan8tà di calore che un grammo di una sostanza deve assorbire per aumentare la sua temperatura di un grado cen8grado. L’acqua possiede un alto calore speciﬁco, per i numerosi legami a idrogeno; perciò, riesce a mantenere rela8vamente costante la temperatura interna degli organismi e fa sì che gli oceani e le altre masse d’acqua mantengano una temperatura costante. Il calore speciﬁco dell’acqua è: 1 cal/(g x °C) a 15°. - Alto calore dí evaporazione —> CALORE DI EVAPORAZIONE = quan8tà di energia per conver8re un grammo di liquido in vapore. Le molecole di acqua, passando allo stato di vapore, portano con loro un grande quan8tà di calore (ghiandole sudoripare, lingua nei cani), determinando un RAFFREDDAMENTO PER EVAPORAZIONE. - Tendenza a dissociarsi —> il legame a idrogeno può formarsi anche tra ioni e molecole di acqua e formare dei sali. L’acqua tende a dissociarsi formando ioni idrogeno (H+) e ioni idrossido (OH-). Le tre forme dell’acqua diﬀeriscono nel grado di formazione dei legami a idrogeno: VAPOR ACQUEO (100°) ACQUA LIQUIDA GHIACCIO (0°): le molecole di acqua sono più distan8 e ordinate, per questo mo8vo il ghiaccio galleggia sull’acqua (meno denso). Questa proprietà è fondamentale per la vita negli oceani. Essendo legami chimici direzionali, i legami ad idrogeno, tendono a respingere le molecole d’acqua provocando così il galleggiamento del ghiaccio su di essa. L’acqua è l’unico composto che in forma solida è più ‘’leggero’’ della forma liquida. COME SI SCIOLGONO LE SOSTANZE IN ACQUA? L’acqua è importante perché si può dissociare e le sostanze si possono sciogliere in essa. Le reazioni biochimiche avvengono producendo o consumando una molecola d’acqua, è necessario capire quali sostanze possono o meno sciogliersi in acqua: - ComposG idroﬁli o polari —> si sciolgono in acqua e sono: compos8 ionici (sali) e compos8 polari (carboidra8, amminoacidi, nucleo8di). La soluzione satura si ha quando il sale non si scioglie e avviene perché non ci sono più molecole in grado di circondare gli ioni per scioglierli. - ComposG idrofobici o apolari—> non si sciolgono in acqua, come i grassi. - ComposG anﬁpaGci —> sono sia idrofobici che idroﬁli. La parte idroﬁla sarà quindi orientata verso l’acqua mentre la parte idrofobica sarà lontana da essa. 14/10 COMPOSTI ORGANICI Lo scheletro di ques8 compos8 è cos8tuito da atomi di carbonio, possono essere di: - Piccole dimensioni: carboidra8, lipisi, amminoacidi e nucleo8di - Grosse dimensioni: acidi nucleici (DNA e RNA) Sono organizzate in quaBro classi principali, dove i singoli monomeri si uniranno per cos8tuire i polimeri. Le quaBro classi principali di molecole organiche che si trovano nella cellula sono: MONOMERI MACROMOLECOLE o POLIMERI (lipidi a parte) ZUCCHERI polisaccaridi ACIDI GRASSI grassi o lipidi AMMINOACIDI proteine NUCLEOTIDI acidi nucleici LIPIDI FUNZIONI I lipidi, come i carboidra8, hanno una funzione di riserva energeGca (LIPIDI DI DEPOSITO), anche se più lenta degli zuccheri. Sono essenziali siccome sono i principali componenG delle membrane (LIPIDI STRUTTURALI). Mol8 ORMONI sono di natura lipidica, dove i lipidi svolgono una funzione di messaggeri chimici, sia all’interno della cellula che tra cellule diverse. Alcuni lipidi sono VITAMINE (A, D, E, K), bisogna stare aBen8 alla quan8tà di assunzione. Inﬁne, altri svolgono la funzione di isolante contro le basse temperature organizzandosi in tessuto adiposo dove i lipidi occupano la maggior parte della cellula. CARATTERISTICHE Sono compos8 organici insolubili o pochissimo solubili in acqua, ma solubili in solven8 apolari. Sono cos8tui8 fondamentalmente da gruppi non polari, perciò tendono ad associarsi tra loro e a formare barriere (membrane cellulari), che hanno permesso di stabilire un dentro e un fuori dello spazio. Cos8tuiscono insieme ai carboidra8 le principali fon8 di energia. - LIPIDI SEMPLICI O NEUTRI: non sono solubili in acqua, sono combinazioni di acidi grassi + glicerolo. Sono neutri e vengono anche chiama8 gliceridi o grassi neutri; sono i lipidi più abbondan8 negli esseri viven8. Hanno una funzione di riserva energe8ca e isolan8. Sono forma8 da: una molecola di glicerolo + 1, 2 o 3 molecole di acido grasso à alcool + acido grasso Gli acidi grassi sono una catena di atomi di carbonio, che possiede un gruppo carbossilico COOH; con coda alifa8ca. Possono essere saturi (tuV legami semplici) o insaturi (presenta legami mul8pli). I primi li troviamo nel grasso animale e in alcuni vegetali; il secondo nella maggior parte del grasso vegetale. Deve esserci un equilibrio tra acidi grassi saturi e insaturi per poter avere una giusta ﬂuidità. Gli omega3 vanno inseri8 con la dieta siccome non siamo in grado di produrre gli acidi grassi saturi. Il glicerolo è un alcol a tre atomi di carbonio, a ciascuno dei quali si lega un acido grasso. Il legame tra glicerolo e acido grasso è un legame covalente, che avviene con un processo di CONDENSAZIONE. La reazione di condensazione determina la formazione di una molecola di H20. TRIGLICERIDI —> rappresentano i principali lipidi di deposito e isolan8 sia negli organismi animali che vegetali. Siccome sono insolubili in acqua, sono presen8 nelle cellule soBo forma di goccioline, che in alcuni tessu8 specializza8, come il tessuto adiposo, possono occupare gran parte della cellula. - LIPIDI COMPLESSI: molecole anﬁpa8che, principali cos8tuen8 delle membrane FOSOFOLIPIDI —> Sono cos8tui8 da una parte polare e da una apolare, perciò hanno natura anﬁpa8ca. Presentano due code di acidi grassi perché, il glicerolo, impiega il terzo legame con un gruppo fosfato; perciò, è caraBerizzato da parte idroﬁlica (gruppo fosfato + gruppo polare) e da una parte idrofobica (acido grasso). I fosfolipidi sono molecole anﬁpa8che e sono tra i cos8tuen8 fondamentali di tuBe le membrane cellulari. Le molecole di fosfolipide, se immerse in acqua, si orientano come se fossero delle calamite. I gruppi apolari tendono a meBersi in contaBo tra di loro: code rivolte verso interno e teste verso esterno; in questo modo si ha la formazione del doppio strato fosfolipico (membrane). Essi possono formare diﬀeren8 struBure nelle soluzioni acquose come: micelle, liposomi (con cavità interna) o bilayer sheet. La ﬂuidità di membrana garan8sce che la cellula svolga tuBe le sue funzioni, se fosse faBa solo cos8tuita da trigligeridi saturi la sua struBura molto rigida; colesterolo e acidi grassi insaturi rendono la struBura ﬂuida. Il glicerolo condensa con due acidi grassi ed il terzo OH lega con un gruppo fosfato che a sua volta lega con un gruppo polare. Il fosfolipide prende il nome dal proprio gruppo polare. - STEROIDI: i più importan8 dal punto di vista biologico sono: il colesterolo (cos8tuente delle membrane cellulari e il prodoBo di partenza per la sintesi degli ormoni steroidei), gli acidi biliari e gli ormoni sessuali, ma anche gli ormoni negli animali e gli ormoni della corteccia surrenale. COLESTEROLO —> è una molecola anﬁpa8ca, cos8tuita da una lunga coda idrofobica ed una piccola regione idroﬁla. È un cos8tuente delle membrane cellulari, inserendosi nel doppio strato lipidico aumentano la ﬂuidità ed è il prodoBo di partenza per la sintesi degli ormoni steroidei, sia maschili che femminili. Si trova nel plasma complessato con proteine di trasporto per renderlo solubile. VITAMINA D2 —> può essere prodoBa nella cute per azione delle radiazioni ultravioleBe su un derivato del colesterolo. CORTISOLO —> è un ormone secreto dalle ghiandole surrenali TESTOSTERONE —> è un ormone sessuale maschile CARBOIDRATI FUNZIONI Svolgono diverse funzioni, come: fonte di energia per la cellula (ATP), riserva energeGca (amido, glicogeno), materiale di partenza per la sintesi di altri cosGtuenG cellulari, sostegno (cellulosa, chi8na) e funzione di segnalazione per iden8ﬁcare le cellule (gruppo sanguigno). CARATTERISTICHE I carboidra8 sono fortemente polari e dunque facilmente solubili in H2O. L’unione di tan8 monomeri di zucchero forma i polisaccaridi. I carboidra8 sono fortemente polari, quindi solubili in acqua. Possiamo suddividerli in: - MONOSACCARIDI: forma8 da un solo monomero (glucosio e fruBosio) Il glucosio (C6H12O6) è la fonte principale di energia odamentale nel cervello, fonte immediata di zucchero e di energia. Ha formula chimica C6H12O6 ed è un monomero u8lizzato nella glicolisi, presenta 6 atomi di C. - DISACCARIDI: forma8 da due monomeri (saccarosio, maltosio, laBosio) - OLIGOSACCARIDI: forma8 da tre a dieci monomeri - POLISACCARIDI: forma8 da più di dieci monomeri (glicogeno, amido e cellulosa) Importan8 per la riserva energe8ca nel muscolo e nel fegato. Il glicogeno, come l’amido (riserva energe8ca delle piante), sono dei polimeri del glucosio. Per formare il legame abbiamo un processo di POLIMERIZZAZIONE PER CONDENSAZIONE, dove viene liberata una molecola di H2O; mentre nel meccanismo di scissione abbiamo un processo di IDROLISI, dove si consuma una molecola di acqua. L’aggiunta di H20 ad un polimero permeBe la scissione dei legami covalen8, che lo cos8tuiscono, ed il conseguente ripris8no dei monomeri o dei polimeri che lo compongono. Per formare il polisaccaride il processo di condensazione con eliminazione molecola H2O avviene più volte. Il legame che si forma tra due monosaccaridi viene chiamato legame glicosidico. PROTEINE Le proteine sono macromolecole cos8tuite da amminoacidi. 20 amminoacidi possono realizzare polimeri (proteine) che hanno cos8tuzione e funzione diﬀeren8. FUNZIONI TIPO DI PROTEINA FUNZIONI Enzimi (catalizzatore biologico) Ogni enzima è responsabile di catalizzare una speciﬁca reazione chimica (DNA polimerasi). Le reazioni chimiche avvengono senza danneggiare la cellula, per formare nuovi legami è necessario abbassare l’energia di aVvazione in modo tale che l’energia da fornire necessaria per far avvenire la reazione chimica non sia eccessiva. Proteine struBurali Raﬀorzano e proteggono le cellule e i tessu8 (collagene o le proteine del cito scheletro). PermeBono, inoltre, alla cellula o ad un tessuto di mantenere una certa forma e consistenza. Proteine di deposito Riserva di nutrien8 (uova e semi) Proteine di trasporto Trasportano speciﬁche sostanze tra cellule (emoglobina); fanno passare speciﬁche sostanze aBraverso la membrana cellulare; funzionano come pompe o canali ionici Proteine regolatorie Ormoni (insulina) o faBori di crescita; altre controllano l’espressione di speciﬁci geni Proteine contraVli Partecipano ai movimen8 cellulari (ac8na e miosina) Proteine di protezione Difendono l’organismo contro agen8 invasori ed infezioni (an8corpi) CARATTERISTIOCHE PROTEINE SEMPLICI = cos8tuite solo da amminoacidi PROTEINE CONIUGATE = oltre agli amminoacidi presentano altri gruppi chimici (gruppi prosteGci); le proteine senza il gruppo proste8co sono deBe apoproteine (proteina non coniugata). GLI AMINOACIDI Si chiamano aminoacidi siccome presentano l’azoto. Per il nostro organismo sono disponibili 20 aminoacidi diversi, tuV hanno la seguente struBura in comune: C centrale legato ad un gruppo amminico ed un gruppo, H e ad una catena laterale (R) che andrà ad iden8ﬁcare l’amminoacido. Il modo più comune per classiﬁcare gli aminoacidi è in base alla polarità delle catene laterali (gruppi R); questo perché le proteine si avvolgono principalmente in risposta alla tendenza a soBrarre, a contaBo con il solvente acquoso, le catene laterali idrofobiche e a solfatare quelle idroﬁliche. - AA NON POLARI o APOLARI (idrofobici) —> le catene laterali non assumono nemmeno cariche parziali, sono 9 - AA POLARI NON CARICHI (idroﬁlici) —> si possono caricare, sono 6 - AA POLARI CARICHI (idroﬁlici) —> si dividono in basici (presentano gruppo H2N ed hanno una carica posi8va) e in acidi (se presente un ulteriore gruppo carbossilico in grado di acquisire carica nega8va), sono 5 Gli aminoacidi sono dei monomeri e il suo polimero è la proteina o pepGde. Il legame che si forma si chiama LEGAME PEPTIDICO, dove si legano il gruppo carbossilico di un aminoacido e il gruppo amminico del successivo e si perde una molecola d’acqua. Alla ﬁne del legame il primo aminoacido ha la parte amminica libera e l’ul8mo la parte carbossilica libera. La struBura si ripregherà poi da avere le catene idrofobiche verso interno ed idroﬁliche verso esterno. STRUTTURA In una molecola proteica possiamo dis8nguere quaBro livelli di organizzazione: STRUTTURA PRIMARIA —> sequenza degli aminoacidi di una catena pep8dica, che determina tuBe le altre struBure STRUTTURA SECONDARIA —> conformazioni regolari e ripe88ve che la catena pep8dica assume nello spazio, stabilizzata da legami a idrogeno tra gruppi amminici -NH- e carbossilici -CO-. La forza principale che determina il ripiegamento delle proteine globulari idrosolubili è quella che porta all’impaccamento delle catene laterali idrofobiche all’interno della molecola (CORE IDROFOBICO e una superﬁcie IDROFILICA). TuBavia, la catena principale di una proteina è altamente polare, siccome con8ene un gruppo NH che forma legami a idrogeno con un gruppo C=O. Ques8 gruppi polari vengono scherma8 tramite la formazione di legami a idrogeno e si dividono in: α-elica: conformazione regolare, questa struBura secondaria è determinata dalla sequenza di aminoacidi della struBura primaria posta con aminoacidi apolari nei ripiegamen8. Tra due catene polipep8diche vengono forma8 legami idrogeno per stabilizzare la struBura ripiegata. foglie0o-β: sequenza amminoacidica permeBe ripiegamen8 a foglieV stabilizza8 anch’essi da legami ad idrogeno. In genere le proteine hanno una struBura mista (globulare, alpha elica, foglieBo beta) tuBo dipende dalla conformazione primaria della proteina. Alcuni amminoacidi sono for8 ‘’formatori di elica’’, come leucina, me8onina e glutammato. Altri aminoacidi sono for8 ‘’formatori di foglieV’’, come isoleucina, valina e fenilalanina. Glicina e prolina sono ‘’distruBori di elica’’ e sono responsabili del ripiegamento e della curvatura dell’alpha elica. STRUTTURA TERZIARIA —> è la forma complessiva tridimensionale assunta da ciascuna catena plipep8dica, essa può essere globulare o ﬁbrosa (seta di un ragno, chera8na). Essa viene stabilizzata da: - legami non covalen8 = legami a idrogeno, aBrazioni ioniche e interazioni idrofobiche; essi aiutano la proteina a ripiegarsi. - legami covalen8 = ponte disolfuro (-S-S-) Possiamo avere diverse 8pologie di avvolgimento degli amminoacidi nello spazio: proteine che presentano prevalentemente alpha elica, presentano prevalentemente beta ed insieme di alpha e beta. Queste struBure iden8ﬁcano funzioni speciﬁche delle proteine, il dominio della proteina è una parte della proteina che esprime una funzione speciﬁca. CISTEINA (insulina) = due residui di cisteina si uniscono aBraverso pon8 di solfuro. Questa reazione richiede un ambiente ossidante, quindi i po8 disolfuro sono raramente presen8 nelle proteine intracellulari e sono frequen8 nelle proteine extracellulari. Il legame di solfuro può meBere in connessione catene separate oppure formare legami crocia8 tra residui di cisteina della stessa catena. STRUTTURA QUATERNARIA —> deriva dalla disposizione tridimensionale delle diverse catene pep8diche di una proteina. Essa è posseduta solo dalle proteine cos8tuite da più catene polipep8diche (emoglobina). Ogni catena avrà una struBura terziaria e tra di loro prendono contaBo. L’emoglobina è cos8tuita da due catene beta e due alpha, quaBro catene pep8diche che si avvolgono nella loro struBura terziaria e la proteina funziona unicamente se le quaBro catene si uniscono tra di loro. Il nucleo idrofobico non esposto con8ene le catene non polari, diversamente dalle catene laterali polari poste all’esterno della molecola perché in grado di formare legami ad idrogeno con l’acqua. La sequenza aminoacidica di una proteina determina la sua conformazione. La conformazione di una proteina ne determina la sua funzione. ACIDI NUCLEICI FLUSSO DELL’INFORMAZIONE GENETICA DNA = acido desossiribonucleico. Esso con8ene, conserva e trasmeBe l’informazione gene8ca e apre la possibilità di trascrivere le informazioni presente nel singolo gene solo quando è necessaria quella proteina. Le malaVe gene8che derivano dal faBo che ci sono mutazioni all’interno del DNA. RNA = acido ribonucleico. Esso copia e trasporta, quando richiesto, l’informazione contenuta nei geni in compar8men8 adibi8 alla sintesi proteica. Importan8 per dirigere la sintesi proteica, presentano all’interno l’informazione geneGca. L’informazione gene8ca è contenuta nel DNA e trasmessa dalla cellula madre alle cellule ﬁglie durante la mitosi. Il DNA trasmesso con8ene tuBa l’informazione gene8ca necessaria per la costruzione delle proteine essenziali per lo sviluppo e la sopravvivenza della specie. PROTEINE = il messaggio portato dall’RNA decodiﬁcato si concre8zza nella produzione di proteine. L’espressione di una proteina correBa dipende dall’informazione portata dall’RNA. 1960: dogma centrale della biologia sul ﬂusso d’informazione gene8ca (Brenner, Crick, Jacob e Monod sono gli autori del dogma): SCOPERTA DEL DNA È un acido nucleico fondamentale, molecola depositaria dell’informazione gene8ca. TuV gli organismi che sono in grado di riprodursi, tranne i virus, possiedono il DNA. Tre esperimen8 fondamentali: Miescher (1871) Egli face il primo studio sulla natura chimica del nucleo cellulare, isolando il DNA dal pus. Da qui venne coniato in termine acido nucleico. Griﬃth (1928) Egli osservò che le cellule morte di forma virulenta conferivano la virulenza a cellule non virulente. Dimostra che una sostanza presente nel ceppo virulento poteva modiﬁcare in modo permanente, trasformare, il ceppo innocuo. Ceppi virulen8 (superﬁcie liscia) e non virulen8 (superﬁcie ruvida) sono dis8nguibili a microscopio; ammazzando le cellule virulente con il calore ed inserendole, dopo essere degradate, nel topino l’animale vive. Se le cellule virulente morte entrano in contaBo con le cellule non virulente e successivamente, questa miscela, viene inieBata nel topino, il topo muore (scoperta della sostanza trasformante). Avery, MacLeod e McCarty Essi hanno iden8ﬁcato il DNA come principio trasformante. Dal ceppo virulento vengono isolate proteine, lipidi, acidi nucleici e polisaccaridi. Ogni componente scissa è stata messa a contaBo con il ceppo non virulento e le miscele contenevano: - ceppo non virulento + proteine o lipidi o polisaccaridi: topino infeBato da miscela non morto - ceppo virulento + acido nucleici: topino infeBo, la sostanza trasformante risulta quindi l’acido nucleico COMPOSIZIONE CHIMICA DNA e RNA NUCLEOTIDE = monomero degli acidi nucleici che consiste di tre par8: uno zucchero pentoso (ribosio o desossiribosio) + un gruppo fosforico +una base azotata. Il fossato legato al C 5’ dello zucchero pentoso e la base C1’. NUCLEOSIDE = nucleo8de sprovvisto di gruppo fosfato. Le BASI AZOTATE sono adenina e guanina per quanto riguarda le purine (due anelli); mentre citosina e Gmina/uracile per quanto riguarda la piramidine (un anello). LEGAME FOSFODIESTERICO = legame che avviene tra nucleo8di i cui fosfa8 uniscono le posizioni 3’ e 5’ di residui zuccheri successivi. È un legame covalente, generato dalla DNA polimerasi o RNA polimerasi. Può essere scisso enzima8camente da enzimi quali DNasi o RNasi. Nel caso di nucleo8di provenien8 da diverso ﬁlamento le due basi non entrano in contaBo. STRUTTURA DEL DNA I quaBro principali aBori della scoperta della struBura della doppia elica del DNA faBa grazie a studi di cristallograﬁa ai raggi X, 1953: Watson e Crick hanno risolto la struBura della doppia elica del DNA u8lizzando la REGOLA DI CHARGAFF (quan8tà di purine = quan8ta di piramidine; in par8colare A=T e G=C) e i da8 di diﬀrazione dei raggi X genera8 da Rosalind Franklin e Maurice Wilkins: doppia elica prevedeva formazione di legami idrogeno tra base delle eliche di DNA (ﬁlamento opposto) secondo la regola sopracitata. Essi scoprirono la natura del materiale gene8co, il quale ha una struBura a doppia elica ad andamento destrorso mantenuta dal legame fosfodiesterico che unisce le basi e gli zuccheri dello stesso ﬁlamento; i ﬁlamen8 sono tra loro complementari e an8paralleli, perciò decorrono in senso opposto. Le basi azotate si legano in modo complementare, con legami a idrogeno: A – T (due legami H) e G – C (tre legami H). Duplicazione e trasmissione gene8ca sono le sue funzioni principali. MODELLO DI REPLICAZIONE PROPOSTO DA WATSON E CRICK I due ﬁlamen8 della doppia elica parentale si srotolano generando ciascuno un ﬁlamento ﬁglio secondo le regole di appaiamento. Una molecola di DNA parentale dà origine ha due molecole di DNA uguali tra loro e alla molecola parentale. Questo processo prende il nome di: DUPLICAZIONE SEMICONSERVATIVA DEL DNA La veridicità del modello è stata dimostrata da Meselson e Stall con un famoso esperimento: - Forniscono alle cellule che stanno duplicando DNA marcato da radioisotopo nega8vo, per misurare la radioaVvità - Dopo la prima generazione entrambe le cellule ﬁglie presentavano la stessa quan8tà di DNA marcato (replicazione semiconserva8va perchè altrimen8 le cellule ﬁglie avrebbero marcatura diﬀerente) - Nella seconda generazione alcune presentavano il 25% di DNA parentale e 75% marcato altre erano completamente marcate (dimostrazione eﬀeVva) La DNA polimerasi sono gli enzimi che sinte8zzano il nuovo ﬁlamento di DNA; essa si muove in direzione 5’P —> 3’OH. Se sbagli, introducendo una variante, essa viene mantenuta e provoca una mutazione (si riguardo a vantaggi che svantaggi). Dopo che la doppia elica si è svolta, si apre e vengono sinte8zza8 i ﬁlamen8 nuovi. La sintesi del ﬁlamento ritardato (di okasaki) avviene in direzione discon8nua 5’ —> 3’ e ci impiega più tempo; mentre la sintesi del ﬁlamento an8cipato avviene in direzione con8nua 5’ —> 3’ ed è più veloce. MACCHINA REPLICATIVA La macchina di replicazione del DNA è formata da diversi elemen8: DNA polimerasi —> polimerizzazione 5’ – 3’ con aVvità esonucleasica; aggiunge nucleo8di/elimina nucleo8di erra8 Topoisomerasi —> diminuisce la tensione della doppia elica svolgendola per facilitare la sintesi Primasi —> anche chiamata RNA polimerasi, sinte8zza brevi molecole di innesco a RNA¸ presente in maggior quan8tà sul ﬁlamento ritardato mentre uno solo di partenza sul ﬁlamento an8cipato DNA ligasi —> formano il legame fosfodiesterico fra i frammen8 di okasaki Elicasi—> rompe i legami H PROCARIOTI Nei procario8 si apre la doppia elica (apertura bidirezionale) in un preciso punto, nel quale viene sinte8zzato il primer per far sì che si possa formare un piccolo frammento a cui si può aBaccare la DNA polimerasi. Poiché possiede un unico cromosoma circolare, il prodoBo ﬁnale sono due cellule procariote circolari. EUCARIOTI Il contenuto di DNA di una cellula diploide umana è cos8tuito da circa 6 X 109 paia di basi. La lunghezza della replicazione corrisponde circa a 2m ed essa avviene nel nucleo la quale dimensione è di circa 5micron. Negli eucario8 il cromosoma non è circolare, ha diverse origini di replicazione per diminuire il tempo eﬀeVvo della replicazione; perciò, presenta diverse bolle replica8ve bidirezionali che replicano contemporaneamente il DNA. I cromosomi durante le fasi della vita della cellula mostrano degli stadi di compaBamento diversi. Dopo che il DNA si è replicato, nell’interfase, la cellula raggiunge una fase M (fase di mitosi); questa dura molto poco ed è il momento in cui i croma8di fratelli migrano ai la8 oppos8 della cellula. La cellula si prepara a distribuire il materiale gene8co e si formano due cellule ognuna con il suo croma8de, iden8che alla cellula madre che li ha genera8 Man mano che si avvicina alla divisione cellulare il materiale gene8co viene condensato per impedire la probabilità di roBure e far sì che il DNA venga trasferito totalmente. Il massimo impaccheBamento croma8na avviene poco prima della divisione cellulare. La CROMATINA è formata da DNA, RNA e proteine, e rappresenta la forma in cui gli acidi nucleici si trovano nella cellula. Il nucleosoma è l’unità fondamentale della croma8na ed è cos8tuita da un core proteico, formato da oBo proteine istoniche, molto basiche (istoni), aBorno al quale si avvolge il DNA. Il compaBamento non è casuale, ma ordinato. STRUTTURA DI UN CROMOSOMA Il CROMOSOMA è formato da due croma8di fratelli, ques8 fanno parte dello stesso cromosoma e sono tenu8 insieme dal centromero (man8ene uni8 i croma8di fratelli ﬁno alla separazione). Le estremità devono essere proteBe, essendo lineare, perciò presenta delle struBure chiamate telomeri (mantengono stabile la molecola di DNA). Possiamo studiare e misurare i cromosomi aBraverso il CARIOTIPO. Esso è un asseBo cromosomico 8pico di ciascuna specie. Il cario8po nell’uomo è caraBerizzato da 23 coppie di cromosomi: 22 coppie di autosomi (numera8 dal più lungo al più corto) e 2 cromosomi sessuali (XX o XY). ESPRESSIONE GENICA TuBe le cellule del nostro pianeta contengono lo stesso genoma, ma come funzioni sono diverse. Il DNA è depositario dell’informazione gene8ca, essa controlla la sequenza degli aminoacidi nelle proteine, ma non è lo stampo direBo per questa sintesi. Esiste una seconda molecola, l’mRNA che copia l’informazione gene8ca, la trasferisce e dirige la sintesi delle proteine; da qui abbiamo il processo della TRASCRIZIONE delle sole par8 importan8 per la cellula in ques8one. In questo modo il DNA non deve andare nel citoplasma, ma c’è il messaggero che trasportano le informazioni al di fuori del nucleo. Inoltre, in questo modo è più facile controllare l’espressione dei geni all’interno di una proteina. TuV i geni che non servono in quel tessuto non vengono espressi. Ø TRASCRIZIONE La TRASCRIZIONE inizia dal sito di aBacco della RNA polimerasi, il sito PROMOTORE, che è localizzato a monte di ciscun gene. Si produce un ﬁlamento di RNA, polinucleo8de a singolo ﬁlamento, formato dalla composizione in basi speciﬁcata da un ﬁlamento di DNA stampo. Essendo a singolo ﬁlamento è meno stabile, perciò viene sinte8zzata e degradata rapidamente; tuBavia, può ripiegarsi formando legami a idrogeno all’interno dello stesso ﬁlamento che stabilizzano la molecola rendendola meno degradabile. I geni hanno lunghezza diversa, per questo è eterogeneo. Ha la funzione di trasportare le informazioni contenute nei geni nel citoplasma, dove avviene la sintesi delle proteine, evitando così al DNA lo spostamento dal nucleo. RNA Non tuV i trascriV vengono tradoV, per questo abbiamo diversi 8pi di RNA: - mRNA (messaggero) = trascriBo di geni che codiﬁcano le proteine - rRNA (ribosomiale) = RNA che con proteine cos8tuisce i ribosomi - tRNA (di trasporto) = posiziona gli aminoacidi nella traduzione. - snRNA = coinvol8 nella maturazione del RNA eucariote - microRNA = coinvolto nella regolazione post-trascrizionale - long non coding RNA COME AVVIENE LA TRASCRIZIONE? Una volta che il promotore si aBacca al ﬁlamento, esso inizia ad aprirsi. L’informazione copiata è solo su uno dei due ﬁlamen8 del DNA, RNA infaV è a singolo ﬁlamento. Il ﬁlamento con sequenza non codiﬁcante è quello trascriBo, ovvero usato come stampo e l’RNA si forma in modo complementare, con l’uracile al posto della 8mina. Per avvenire u8lizza l’RNA polimerasi (direzione di sintesi 5’ —> 3’) e come substra8 i ribonucleo8di e il DNA stampo (3’ —> 5’). Si forma sempre con il legame fosfodiesterico tra i nucleo8di e legame a idrogeno tra le basi. L’RNA polimerasi è un enzima che può iniziare aVvità di sintesi senza la necessità di un primer, non svolge l’aVvità esonucleasica (le molecole errate prodoBe non andranno ad inﬂuenzare il funzionamento correBo della proteina perché le proteine funzionan8 sinte8zzate saranno prodoBe adeguatamente). I cormosomi eucario8 sono cos8tui8 da molecole lineari di DNA, la determinazione del ﬁlamento stampo dipende da quale ﬁlamento di DNA presenta la sequenza del sito promotore per l’espressione di un determianto gene (per venir trascriV i geni devono possedere un promotore). Nell’RNA polimerasi per riconoscere il promotore sono presen8 sequenze consensus che permeBono di posizionare in modo correBo la RNA polimerasi. Anche per gli eucario8 presenta quaBro regioni posizionate a monte del gene che permeBono il correBo posizionamento del promotore e la trascrizione correBa IL CONTROLLO DELL’ESPRESSIONE DEI GENI GENI HOUSEKEEPING —> sono sempre mantenu8 accesi in tuBe le cellule, sono comuni e sono espressi allo stesso livello. GENI SPECIALIZZATI/TESSUTO-SPECIFICI/SPECIFICI —> si sviluppano in un certo stadio di sviluppo embrionale, in base alla loro funzione speciﬁca GENI INDUCIBILI —> sono di espressione transitoria, si aVvano se avviene uno speciﬁco evento esterno o qualcosa di diverso. Le cellule dei diversi tessu8 contengono lo stesso DNA, ma per la presenza di faBori trascrizionali diversi, esprimono geni diversi che determinano una diﬀerenziazione cellulare speciﬁca. Cellule to8poten8, messe in contaBo con il pool di quel determinato tessuto, possono specializzarsi esprimendo i geni speciﬁci per il tessuto in cui sono collocate. È possibile regolare l’espressione di geni tessuto speciﬁci mediante speciﬁci faBori trascrizionali presen8. Come troviamo un segnale di inizio, abbiamo anche quelli di terminazione, dove si taglia l’RNA trascriBo e viene inserito una coda di tante adenine (poli A) per proteggere l’estremità. PROCARIOTI: nei procario8 abbiamo una terminazione indipendente e una dipendente, che decidono di terminare la trascrizione. In essi si hanno dei geni, dove la regione codiﬁcante è con8nua. L’RNA polimerasi si aBacca al sito promotore e trascrive un ﬁlamento complementare (con ribosio e uracile). Il DNA non è contenuto nel nucleo, ma nel citoplasma, per questo la trascrizione avviene nel citosol in concomitanza con la traduzione. EUCARIOTI: nei geni eucario8 la regione codiﬁcante per la proteina è cos8tuita da sequenze di ESONI e INTRONI (par8 non codiﬁcan8). Nel passaggio da nucleo a citoplasma, bisogna controllare l’RNA ed eliminare gli introni. Esso viene proteBo nel passaggio dal cappuccio al 5’ e dalla coda poli A al 3’; dopo che è proteBo, può avvenire la rimozione degli introni (PROCESSO DI SPLICING) e rimane un ﬁlamento con8nuo codiﬁcante (come nei procario8). Negli eucario8 la trascrizione avviene nel nucleo e successivamente possa nel citoplasma, dove avviene la traduzione. Ø TRADUZIONE Il messaggio portato all’RNA decodiﬁcato si concre8zza nella produzione di proteine, la sintesi proteica avviene meBendo in ordine gli amminoacidi deriva8 dalla trascrizione del DNA determinando la struBura primaria della proteina. Le diverse molecole di tRNA legano ognuna uno speciﬁco amminoacido, con un legame univoco. Il tRNA riconosce il messaggio gene8co, trasportato dall’mRNA aBraverso la sequenza nucleo8dica e legge il codice geneGco. Traduce il linguaggio da sequenza nucleo8dica a sequenza amminoacidica, decodiﬁcando il codice gene8co. L’informazione contenuta nel DNA passa da un linguaggio codiﬁcato da 4 leBere (G, A, T e C) ad un linguaggio che usa 20 leBere (amminoacidi). Inizialmente si erano formulate diverse 8pologie di combinazioni aﬃnché ogni aminoacido derivasse dalla traduzione di sequenze di nucleo8di: - un doppieBo di nucleo8di può codiﬁcare solamente 4^2 aminoacidi; perciò, le possibilità di combinazioni non sono suﬃcien8 (16 minore di 20) - vengono, quindi, usate 3 basi che codiﬁcano un amminoacido (64 possibilità). S8amo meBendo in relazione l’informazione contenuta nei nucleo8di per speciﬁcare la sequenza amminoacidica: il CODICE GENETICO (traduzione di 3 nucleo8di in un amminoacido). DNA NUCLEOTIDI à RNA NUCLEOTIDI à PROTEINE A. ACIDI Il codice gene8co presenta i codoni (tripleBe di nucleo8di che codiﬁcano un aminoacido), 3/64 vengono u8lizzate per terminare la sintesi proteica (i codoni di stop): UAA, UAG, UGA. Mentre 1/64 sarà il codone di inizio: AUG (metonina o codone di inizio). Gli altri 60 codoni andranno a codiﬁcare gli amminoacidi, un aminoacido può essere codiﬁcato da più codoni. La speciﬁcità esiste perché un amminoacido è tradoBo da più codoni, ma la singola tripleBa speciﬁca sempre un solo aminoacido. CaraBeris8che del codice geneGco: è a triple0e; universale; ridondante (degenerato), siccome ogni amminoacido può essere codiﬁcato da più di una tripleBa; lineare e conGnuo. tRNA – RNA DI TRASFERIMENTO Grazie alla possibilità di formare legami ad H il tRNA assume una determinata conﬁgurazione nello spazio. Le diverse molecole di tRNA legano ognuna uno speciﬁco amminoacido, il legame con l’amminoacido è univoco. Nel tRNA abbiamo un'ansa che si chiama ANTICODONE: complementare con il codone presente sull’estremità del messaggero, che è speciﬁca per ogni amminoacido e legge l’informazione gene8ca; traduce il linguaggio da sequenza nucleo8dica a sequenza amminoacidica, decodiﬁcando il codice gene8co. Queste struBure sono disegnate nell’orientamento 3’ à 5’, perché il tRNA si allinea in questo modo rispeBo all’mRNA. L’amminoacil-tRNA sintetasi permeBe l’aBacco speciﬁco al tRNA con il cordone corrispondente. La FEDELTÀ della SINTESI PROTEICA permeBe il correBo accoppiamento amminoacido – cordone. Al termine di essa si passa alla traduzione, cioè dal linguaggio nucleo8dico a quello amminoacidico. SINTESI PROTEICA 1. L’mRNA porta l’informazione gene8ca dal nucleo al citoplasma 2. Il tRNA inserisce l’amminoacido nella sequenza correBa accoppiando l’informazione gene8ca in sequenze di basi alla sequenza proteica in amminoacidi 3. L’rRNA cos8tuisce i ribosomi, sede della sintesi proteica Il RIBOSOMA è la sede della sintesi proteica, sono corpuscoli cos8tuite da due subunità ciascuna cos8tuita da rRNA e proteine ribosomiale. Le due subunità si uniscono quando avviene la sintesi proteica e su questo corpuscolo si forma il legame pep8dico. Il ribosoma si ripiega formando due tasche, all’interno delle quali scorre il ﬁlamento di mRNA, entra il ﬁlamento di tRNA e si forma il legame pep8dico: - Sito A: sito di legame aminoacido - Sito P: sito dove si forma il legame pep8dico e permeBe la leBura delle sequenze delle tripleBe delle basi - Sito E: sito di uscita La SINTESI PROTEICA avviene in cinque fasi: 1. A`vazione degli amminoacidi 2. Inizio à le due subunità dei ribosomi sono separate. Il primo tRNA di ogni traduzione codiﬁca per la metonina, che successivamente verrà eliminata; nel momento in cui inizia la codiﬁca del codone AUG il ribosoma si chiude. Così facendo il tRNA si colloca nel sito P (tasca dove si formerà il pep8de) 3. Allungamento à il secondo tRNA entra nel sito A con amminoacido, corrispondente alla sequenza successiva alla sequenza di inizio, già legato (tRNA aVvato). Il tRNA del sito P crea così il legame pep8dico tra la metonina ed il secondo amminoacido (presente nel sito A). Il tRNA presente nel sito P ora si torva nel sito E (exit) dove potrà uscire e il tRNA presente nel sito A si trova nel sito P, in quanto presenta i due pep8di. Nel sito A entrerà un altro tRNA e il processo andrà avan8 con la stessa sequenza. 4. Termine e rilascio à quando nel sito A si colloca una tripleBa di STOP (non codiﬁca per nessun amminoacido) viene inserito un tRNA scarico (tRNA che non presenta amminoacido al di sopra di esso). Questo comporta che, nella fase di spostamento, non si formerà un altro legame con il tRNA ma si avrà un legame di una molecola di H20 e la proteina si stacca. Alla ﬁne della traduzione fa subito seguito la rimozione della metonina e la formazione della proteina completa. 5. Modiﬁche post-traduzione à avvengono a seguito della traduzione e conferiscono proprità speciﬁche alla proteina sinte8zzata. A un singolo messaggero si possono legare più ribosomi per avere una traduzione eﬃcace della proteina, possono essere libero o associa8. Le proteine che si legano a ribosomi liberi vengono sinte8zzate nel citosol e restando nel citosol (enzimi della glicolisi) oppure vengono importate nel nucleo o nel mitocondrio. Le proteine che si legano ai ribosomi associaG sono solubili; perciò, possono venir secrete o aBaccarsi alle membrane aBraverso il re8colo endoplasma8co ruvido e sono chiamate PROTEINE TRANSMEMBRANA. Nella cellula il trasporto all’interno di essa avviene mediante vescicole lipidiche originate dal re8colo endoplasma8co e a seguito della sintesi delle proteine esse verranno poi indirizzate nelle membrane o verranno secrete. Trasporto delle proteine all’interno del re8colo endoplasma8co negli eucario8: il pep8de segnale emerge dal ribosoma e viene legato da una par8cella di riconoscimento del segnale, la quale blocca la traduzione. Questa par8cella si lega alla proteina di ancoraggio, facendo riprende la traduzione all’interno del lume del re8colo endoplasma8co. Il pep8de segnale viene rimosso dal polipep8de la cui sintesi con8nua e quando la traduzione è completa le subunità ribosomiali si dissociano. Cotrollo di livello espressione genica: controllo promotore, controllo post-trascrizionale e durante la traduzione (degradazione di mRNA e proteina). CICLO CELLULARE Ciclo vitale di una cellula: intervallo di tempo che intercorre tra due divisioni cellulari successive. Cos8tuito da due macrofasi: - INTERFASE: la cellula cresce, raddoppia il proprio materiale gene8co - DIVISIONE: corrisponde alla mitosi AsseBo cromosomico eucario8 Materiale gene8co suddiviso in: cromosomi. Il numero cromosomico è caraBeris8co di ciascuna specie. Gli eucario8 hanno due coppie di ciascun cromosoma, presentano quindi un asseBo cromosomico diploide: 2N (cellule somaGche). L’organismo diploide deriva dalla fusione di due game8 uno paterno e l’altro materno, le cellule germinali (dalle quale si origina lo zigote, cellula dalla quale ha origine l’organismo diploide) presenteranno un asseBo cromosomico apolide: N. La fusione dei due game8, paterno e materno darà origine allo zigote (2N). Il contento completo dell’informazione gene8ca di un organismo viene deﬁnito genoma. INTERFASE 1. Fase G1 —> la cellula si ingrandisce, è l’intervallo di pre-sintesi (10 ore). Avviene allungamento non eccessivo e nel caso di arresto della proliferazione la cellula entra in fase G0. Diverse cellule sono proliferan8 (ciclo cellulare intorno alle 24h), altre hanno ciclo cellulare più lungo o pra8camente assente (es: neuroni). Quando le cellule bloccano la proliferazione in G1, non proseguendo per la fase S, si dice che sono bloccate in fase G0. 2. Fase S —> fase di sintesi del DNA (9 ore). Si duplicano il DNA, gli istoni (proteine, che servono per avvolgere il DNA duplicato) e i centrioli (permeBono la migrazione dei cromosomi). Il cromosoma duplicato è cos8tuito da due croma8di fratelli, uni8 dal centromero. In mitosi i due croma8di fratelli diventeranno i cromosomi che si distribuiranno tra le cellule ﬁglie: - Duplicazione del cromosoma (fase S) e formazione dei croma8di fratelli - Separazione dei croma8di fratelli - Distribuzione dei nuovi cromosomi nelle nuove cellule ﬁglie 3. Fase G2 —> fase di post-sintesi (4 ore). La cellula si prepara a dividere il proprio materiale gene8co e citoplasma8co. FASE M Avviene la mitosi (divisione del nucleo) e la citocinesi (divisione del citoplasma). La mitosi è una divisione equazionale, siccome produce due cellule ﬁglie gene8camente uguali fra loro e alla cellula madre. La cellula diploide ha un cromosoma di derivazione materna ed uno di derivazione paterna, per ogni 8po di cromosoma troviamo una coppia di cromosomi omologhi (22 autosomi e una coppia di cormosomi sessuali, 23 cromosomi in totali); l’asseBo è deﬁnito 2n (46 cromosomi, 23 cromosomi diversi in coppia). Questo 8po di asseBo quan8ta8vo è presente in ogni cellula. I cromosomi omologhi sono iden8ci dal punto di vista morfologico, dalla quan8tà di DNA e dall’ordine di geni nel cromosoma; mentre si diﬀerenziano per la sequenza delle basi di DNA, prevalentemente nelle regioni non codiﬁcan8 e dal punto di vista molecolare. Per questo mo8vo la riproduzione sessuata è molto vantaggiosa per la biodiversità, infaV, tuV noi siamo unici (gene8camente diversi). MITOSI PROFASE (2n) Si forma il fuso mioGco, cos8tuito da microtubuli che aBraverseranno la cellula e andranno da una coppia di centrioli all’altra. Questo aster deriva dalla presenza di tubilina, i microtubuli che emergono da questa coppia di centrioli. Nel fraBempo, i cromosomi, completamente svol8 e già duplica8, iniziano a compa0arsi (devono arrivare al max grado di compaBamento prima della divisione). Inizia a dissolversi la membrana nucleare, scomparsa del nucleolo (zona di produzione rRNA). I geni si stanno disaVvando, la cellula si concentra nella distribuzione equa del materiale gene8co. METAFASE (2n) I cromosomi si compa0ano, tuV i cromosomi della cellula si allineano lungo la piastra metafasica; quando tuV essi si sono allinea8, i croma8di fratelli inizieranno a migrare verso i poli oppos8. La membrana nucleare è scomparsa, il fuso mito8co si è completamente formato. Ci sono ﬁbre che prendono contaBo con il centromero dei cromosomi omologhi altri no, i microtubuli dirigeranno la migrazione dei croma8di fratelli ai poli oppos8 della cellula. ANAFASE (4n) Solo in questa fase si ha l’asse0o cromosomico 4n, siccome ancora non c’è stata la citodieresi, i cromosomi ﬁgli sono ancora presen8 nella cellula non divisa. Inizia la migrazione dei cromaGdi fratelli, che si staccano e i cromosomi migrano ai poli oppos8 della cellula, trasporta8 dai microtubuli aggrappa8 al centromero. TELOFASE (2n + 2n) I cromosomi sono tu` migraG ai poli opposG, il fuso mito8co si distrugge, la membrana nucleare si ricostruisce aBorno ai cromosomi. Si forma una strozzatura che permeBe la citocinesi (divisione materiale citoplasma8co). Completata la strozzatura le cellule ﬁglie si iden8ﬁcano. Fibre del fuso Le ﬁbre del fuso si aBaccano al cinetocoro, che media l’aBacco alle ﬁbre del fuso al cromosoma. È cos8tuito da proteine connesse al centromero. La migrazione avviene dopo la distribuzione sull’asse equatoriale, garan8sce la distribuzione equa del materiale gene8co, an8cipando o pos8cipando la duplicazione, al momento della strozzatura, avremmo cellule ﬁglie sprovviste o provviste di un cromosoma in più. Tumori Quando una cellula con8nua a proliferare, il tessuto si accresce in modo armonico con lo sviluppo dell’organismo. Le cellule proliferano secondo determina8 meccanismi di controllo. In presenza di un’alterazione dei meccanismi di controllo del ciclo cellulare si può avere una proliferazione cellulare incontrollata che da’ origine ad un tumore. Quando le cellule si toccano scaBa “l’inibizione da conta0o”, mediato da receBori presen8 sulla membrana della cellula: segnale da esterno, trasmesso all’interno e la cellula viene bloccata in G1 entrando nella fase G0. Le cellule tumorali con8nuano a duplicarsi, si forma una neuroplasia per mancanza di controllo nella duplicazione cellulare e per l’assenza del meccanismo di inibizione da contaBo” (maligno se invade altri tessu8). Apoptosi Rappresenta una morte cellulare programmata, in cui la cellula risponde a determina8 segnali arrestando il ciclo cellulare e iniziando una risposta che porta alla sua morte. PermeBe: Il mantenimento del numero di cellule di un sistema Ha un ruolo morfogenico durante lo sviluppo embrionale L’apoptosi è caraBerizzata dal compa0arsi della cellula e del suo nucleo, da una precisa frammentazione della croma8na da parte di una par8colare endonucleasi, che taglia il DNA e dalla rapida fagocitosi della cellula morente. Nella vita cellulare c’è un bilancio tra ciclo cellulare ed apoptosi, meccanismi necessari per la vita dell’organismo. APOPTOSI e MORFOGENESI: la scomparsa del tessuto membranoso tra le dita durante lo sviluppo embrionale si basa sulla morte programmata delle cellule che sos8tuiscono la membrana. Le dita sono unite da un’unica membrana, quest’ul8ma eliminata grazie ad un processo apoptoGco (morte cellule tessuto che unisce le dita e, gradualmente, si forma in modo correBo la mano). Ruolo morfogenico durante lo sviluppo embrionale, eliminazione tessuto in eccesso. CICLI BIOLOGICI Negli animali, l’uomo deriva dall’unione del gamete maschile ed il gamete femminile, da cui si forma lo zigote, che si divide per meiosi formando il soma degli individui. Le cellule germinale presentano un asseBo duplicato, un cromosoma paterno e uno materno; per mantenere un asseBo cromosomico speciﬁco della specie le cellule germinali hanno asse0o n (sia negli animali, sia nelle piante). Il ciclo biologico di organismi che si riproducono per riproduzione sessuata si conclude aBraverso la produzione di gameG mediante cellule germinali aven8 asseBo n. Questo consente di unire i due game8 per generare un organismo avente cellule somaGche ad asse0o 2n, ma la progenie non sarà gene8camente iden8ca ai due genitori ma ha un genoma misto (50% di madre, 50% di padre). ABraverso ogni riproduzione si genera biodiversità; nei baBeri o negli organismi che si riproducono per mitosi è necessario l’avvenimento di una mutazione per incrementare la biodiversità nella specie. CELLULE GERMINALI (n) —> CELLULE SOMATICHE (2n) Nei funghi, in caso di cambiamento delle condizioni ambientali, alcune cellule si fondono con cellule di un altro fungo, generando una cellula diploide (2n), che poi si dividerà per meiosi che produrrà spore sessuali di asseBo n. In questo modo il fungo genererà biodiversità e garan8sce una maggior probabilità di sopravvivenza. MEIOSI La meiosi determina un dimezzamento del numero di cromosomi e porta alla formazione dei game8 maschili e femminili (riduzione asseBo da 2n a n). La meiosi è riscontrabile esclusivamente negli eucario8 a riproduzione sessuata con numero diploide di cromosomi. I prodoV della meiosi si diﬀerenziano dalle cellule parentali sia per l’informazione contenuta nel DNA sia per la quan8tà di DNA. I game8 si diﬀerenziano dai genitori perché le varian8 presen8 all’interno del genoma sono rimescolate. - Avviene soltanto nelle cellule germinale (presen8 in ovaie e tes8coli) per produrre game8 - Entrano prima in fase S, duplicando DNA per poi entrare in meiosi Per poter arrivare da asseBo 2n ad asseBo n abbiamo due cicli di divisione successivi non intervalla8 da duplicazione di DNA. Nella mitosi i cromosomi si esponevano lungo la piastra equatoriale; mentre nella meiosi, si appaiano e avviene il crossign over (i cromosomi omologhi si scambiano par8 di genoma). Questo crossing over porta alla formazione delle tetradi (coppie di cromosomi omologhi uni8), è importante che prima della migrazione dei cromosomi ci sia l’allineamento e che essi siano uni8. Ogni cromosoma omologo migra ai poli oppos8, la prima divisione meio8ca divide l’asseBo da 2n ad n (divisione riduzionale). La seconda divisione meio8ca (divisione equazionale) è simile alla mitosi, e l’asseBo cromosomico rimane n. Meiosi I: DIVISIONE RIDUZIONALE PROFASE I: i cromosomi duplica8 sono già visibili, i cromosomi omologhi si accorciano e si ispessiscono. Avviene il crossing over (durante il pachitene) visualizzato poi dalla formazione dei chiasmi. La membrana nucleare scompare e l’apparato del fuso si inizia a formare. METAFASE I: si ha l’organizzazione completa del fuso e disposizione cromosomi (bivalente) sul piano equatoriale. ANAFASE I: le tetradi si separano e le diadi di ogni paio di cromosoma migrano verso i poli oppos8. TELOFASE I: icromosomi (ciascuno cos8tuito da due croma8di fratelli) completano la migrazione ai poli e le nuove membrane nucleari si riformano, con possibili diversi assor8men8 di distribuzione dei cromosomi ai poli. CITOCINESI: rappresenta la produzione di due cellule, la replicazione dei cromosomi non avviene prima della meiosi II. Formazione due cellule ﬁglie ad asse0o cromosomi n. Meiosi II: DIVISIONE EQUAZIONALE PROFASE II METAFASE II ANAFASE II TELOFASE II: avviene la formazione dei 4 gameG ad aspe0o cromosomico n. - Variabilità per ricombinazione Durante il crossing over i due cromosomi omologhi si appaiano e avviene uno scambio di materiale tra un cromaGdio paterno e uno materno. Esso è uno scambio ﬁsico che man8ene i cromosomi uni8 ﬁno alla metafase. Una possibile causa della sindrome di Down è dovuta alla presenza di più cromosomi (trisonomia 21), dovuto ad uno sbilanciamento presente nella metafase. Quello che risulta dal crossing over sono due cellule parzialmente cos8tuite da genoma paterno e materno, ques8 croma8di, che diventeranno poi cromosomi, generano il 50% dei game8 aven8 cromosoma ricombinante e 50% di game8 parentali. - Variabilità per segregazione I cromosomi omologhi hanno due possibilità di migrazione, avendo un asseBo 2n, questo genera game8 aven8 diverse 8pologie di cromosomi (es: croma8di solo rossi, solo blu, parzialmente rossi o parzialmente blu). Possibilità di variare la composizione di game8 con cromosomi paterni o materni, abbiamo 246 combinazioni cromosomiche per zigote. Spermatogenesi = è il processo di biosintesi degli spermatozoi ed avviene nelle gonadi maschili. Durante la spermatogenesi, avviene una divisione cellulare per mitosi e una successiva divisione per meiosi di un gruppo di staminali. Gli spermatozoi, per questa ragione, derivano da cellule staminali che si diﬀerenziano in con8nuazione e "maturano" all'interno del tes8colo. Ovogenesi = è il processo di creazione del gamete femminile chiamato ovulo od ovocita. La meiosi riduce il corredo cromosomico dell'oocita che da diploide diventa aploide. Tale corredo viene spar8to tra le due cellule "ﬁglie", l'ovocita secondario e il globulo polare. Contrariamente a quanto avviene nel processo della spermatogenesi, dove tuBe le cellule ﬁnali del processo sono aVve e funzionali, il globulo polare è una cellula che non può essere fecondata e, dal punto di vista riproduVvo, non funzionale. Nella seconda fase della meiosi, quella non riduzionale, il globulo polare si divide in ulteriori due globuli polari mentre l'oocita secondario si diﬀerenzia in oo8de e un ulteriore globulo polare. GENETICA Si osservò che la variabilità tra gli individui di una stessa specie sono date dalle diﬀerenze trasmesse di generazione in generazione. Inizialmente queste diﬀerenze venivano concepite come casuali; ora sappiamo che sono diﬀerenze che stanno a livello della sequenza di DNA, che cos8tuiscono i geni trasmessi. L’iden8ﬁcazione delle modalità di trasmissione delle caraBeris8che ﬁsiche dai genitori ai ﬁgli fu di Mendel, il quale scoprì che la trasmissione dei geni è direBamente correlata alla modalità di trasmissione dei cromosomi. - Le caraBeris8che ﬁsiche di n individuo trasmesse da generazione a generazione sono le caraBeris8che ereditarie —> CARATTERI - L’espressione delle caraBeris8che ereditarie è controllata da sequenze di DNA, i geni —> FATTORI - L’insieme dei geni di un organismo è il GENOTIPO - L’insieme delle caraBeris8che ﬁsiche di un organismo è il FENOTIPO I caraBeri mendeliani furono studia8 a par8re da una pianta (pisum sa8vum), che: era facile da col8vare, aveva un ciclo riproduVvo breve, progenie numerosa, riproduzione per autofecondazione e fecondazione incrociata, variabilità feno8pica. ESPERIMENTO Mendel prese in considerazione una pianta di pisello dal seme verde ed una dal seme giallo (linee pure); incrociandole, si accorse che tuBe le piante ﬁglie del primo incrocio avevano seme giallo, mentre il seme verde era scomparso. PRIMA LEGGE DI MENDEL o DEL CARATTERE DOMINANTE = I due membri di una coppia genica (ALLELI) si separano l’uno dall’altro durante la formazione dei game8, con metà in uno e metà nell’altro; siccome la progenie viene prodoBa dalla combinazione casuale dei game8 dei genitori. TuBe le piante ﬁglie presentano un solo colore dominante, allora ci deve essere un fa0ore dominante che determina il colore e un fa0ore recessivo che rimane allo stato latente. La prima generazione presenta lo stesso feno8po o caraBere e viene chiamato MONOIBRIDO. Successivamente fece autoriprodurre le piante di prima generazione (F1) e vide che quelle di seconda generazione (F2) erano per ¾ gialle e per ¼ verdi. SECONDA LEGGE DI MENDEL o DELLA DISGIUNZIONE = in un rapporto 3:1, il caraBere recessivo della prima generazione torna ad essere presente nella seconda generazione, accanto al caraBere dominante. ABraverso queste scoperte ipo8zzò che: - I caraBeri feno8pici alterna8vi furono determina8 da faBori par8cellari (geni), che trasmessi dai genitori alla progenie portano l’informazione gene8ca. - Ogni faBore esiste in forme alterna8ve (ALLELI), ognuna delle quali ne determina il caraBere - La linea pura ha una coppia di faBori iden8ci (alleli iden8ci) e un gamete ha una coppia di ogni faBore. Quando i due alleli sono iden8ci sono deV omozigo8, quando sono diversi sono deV eterozigo8. - La prima generazione presenta due diversi alleli, ma mostra una delle due varian8 dei genitori. - Il caraBere mancante (RECESSIVO) è mascherato nella prima generazione dal caraBere visibile (DOMINANTE). Mendel con8nuò il suo esperimento incrociando due caraBeri: oltre al colore del seme, volle considerare anche la forma (liscio = dominante, rugoso = recessivo). Arrivò ad avere 16 piante di terza generazione, delle quali 9 avevano un seme GL, tre avevano un seme VL, altri tre avevano un seme GR e uno soltanto aveva seme VR. TERZA LEGGE DI MENDEL o DELL’INDIPENDENZA = i caraBeri sono indipenden8 e possono anche presentarsi in associazioni diverse da quelle riscontrate nelle piante di partenza. Mendel applicò man mano a tuBe le caraBeris8che che aveva preso in considerazione (colore e forma del fruBo, colore del tegumento e del seme, lunghezza dello stelo e posizione dei ﬁori) le tre leggi che aveva evinto dagli esperimen8 condoV, ﬁno a formulare tuBe le combinazioni possibili prendendo in considerazione tuV i traV scel8, oBenendo così ben 128 8pi diversi di piselli. I due membri di una coppia genica si separano l’uno dall’altro durante la formazione dei game8. Metà game8 con8ene un allele e metà l’altro. La progenie viene prodoBa dalla combinazione casuale dei game8 dei genitori. Le varian8 geniche sono generate da mutazioni casuali nella sequenza del DNA che producono varian8 feno8piche. MUTAZIONI è GENICHE: cambiamen8 che riguardano una o poche basi A seguito di evento mutazionale il gene normale muta diventando un gene mutato. Se il gene normale porta, a seguito di trascrizione e traduzione, la produzione di un prodoBo genico normale e l’espressione feno8pica normale, il gene mutato altera ques8 risulta8; a seguito di trascrizione e traduzione il prodo0o genico è anormale (parzialmente funzionante o non funzionante) o assente e l’espressione fenoGpica risulta alterata. Queste mutazioni soBopongono l’organismo a selezione naturale a favore se la mutazione migliora l’adaBamento all’ambiente, contraria se la peggiora. Studiate nel 1943 da Luria e Delbruk, le mutazioni avvengono casualmente e gli eﬀeV feno8pici vengono visualizza8 in presenza di un faBore ambientale che seleziona tali eﬀeV. Le mutazioni geniche sono causate da: - Errori nella replicazione - Cambiamen8 chimici spontanei - Cambiamen8 causa8 da sostanze chimiche o agen8 ﬁsici (raggi UV) L’aVvità della DNApolimerasi è esonucleasica, ma i meccanismi che riconoscono errori e li riparano non sempre sono eﬃcaci --> errori sfuggono, si generano delle mutazioni. Mutazioni pun8formi: mutazioni che alterano una singola base; possono essere spontanee (errori nel DNA, cambiamen8 clima8ci spontanei) o indoBe (mutageno chimico o ﬁsico. Mutazione per sos8tuzione: × Mutazione di transizione: è circa il 63% delle sos8tuzioni, come purina con purina o viceversa. × Mutazione di transversione: è circa il 37& delle sos8tuzioni, come purina e pirimidina. × Mutazioni missenso: sos8tuzione di un amminoacido in un altro; quindi, si ha una transizione da AT a GC. × Mutazione nonsenso: sos8tuzione di un amminoacido con un codone di stop; si ha una mutazione tra AT e TA. × Mutazione neutra: sos8tuzione di un amminoacido con un altro con proprietà chimiche simili; quindi, una mutazione tra AT e GC. × Mutazione silente: cambiamento nel codone che non comporta un cambiamento dell’animo acido; si ha la mutazione AT e CG. è GENOMICHE: cambiamen8 che coinvolgono uno o più cromosomi SomaGca: coinvolgono tuBe le cellule dell’organismo tranne i game8 e avvengono all’interno della cellula soma8ca. Le duplicazioni danno origine ad aree dell’organismo con cellule mutate. Queste mutazioni non vengono trasmesse alla progenie. Germinali: avvengono nei game8, all’interno della cellula germinale. Le cellule soma8che sono portatrici e hanno sequenza normale. La mutazione, in questo caso, viene trasmessa alla progenie. TuBe le cellule dell’organismo portano la mutazione. Il feno8po muta solo se la mutazione trasmessa colpisce la cellula soma8ca, altrimen8 la cellula germinale causa solo la trasmissione senza espressione è FRAMESHIFT: intersezione o delezione di una coppia di una o di qualche coppia di basi, che alterano la fase di leBura. CARIOTIPO UMANO Insieme completo dei cromosomi metafasici di una specie. Nell’ambito di una stessa specie tuBe le cellule hanno lo stesso cario8po. Cario8po Umano: 22 autosomi e 2 cromosomi sessuali. I cromosomi vengono dispos8 in ordine decrescente in base alla dimensione e alla posizione del centromero accoppiando gli omologhi. Es: la trisomia cromosoma 21, sindrome di Down. CaraBerizzata da: ritardo mentale, dismorﬁsmi facciali, mani corte, statura al di soBo della media, spesso anomalie cardiache e difeV visivi. È probabilmente ben tollerata 21 cromosoma piccolo meno geni in tripla dose. Causa più frequente: NON DISGIUNZIONE CROMOSOMICA correlato a età materna --> Gli oogoni entrano in meiosi prima della nascita della femmina con arresto in profase I. Ogni mese all’ovulazione l’oocita secondario inizia la II divisione arrestandosi in metafase quando viene fecondato viene completata la meiosi II. Probabilità di non disgiunzione con la permanenza dell’oocita nell’ovaio TEORIA CELLULARE LA SCOPERTA DELLA CELLULA Alla ﬁne del XVII secolo si inizia a parlare di cellule o pori, struBure microscopiche che si osservarono esaminando al microscopio del sughero. Anton van Leeuwenhoek (1623 – 1723) era mercante di stoﬀe, primo microbiologo della storia. U8lizza rudimentali microscopi adoperando len8 conver8te da macroscopi à struBura del sughero analizzata, visione di ‘’piccole celle’’. Robert Hooke deﬁnì cellule o pori queste struBure microscopiche che osservò esaminando con un microscopio da lui costruito un frammento di sughero. ABorno al 1830: - Schleiden: prima esaBa descrizione della cellula, composta da citoplasma e nucleo osservando tessu8 vegetali - Schwann: estese alle cellule animali le osservazioni di Schleiden Le dimensioni di una cellula sono nell’ordine dei micron (un milionesimo di metro), anche se cellule possono essere lunghe metri o cen8metri, non siamo in grado di vederle ad occhio nudo siccome sono minuscole. Il virus, che entra nella cellula, è nell’ordine dei nanometri (un miliardesimo di metro). Ad occhio umano riusciamo a vedere l’ordine dei millimetri, con il microscopio oVco dal millimetro al micron e con il microscopio eleBronico dal millimetro al nanometro. TEORIA CELLULERE 1. TuV gli organismi viven8 sono cos8tui8 da cellule 2. Le cellule sono le unità funzionali degli organismi 3. Le cellule si originano per divisione di cellule preesisten8 I primi due postula8 vennero enuncia8 da Schleiden e Schwann, il terzo postulato fu aggiunto da Virchow (patologo tedesco). Le cellule sono le unità fondamentali della vita, siccome se possiedono i nutrien8 necessari possono vivere da sole; a diﬀerenza delle cellule, i virus (organismi complessi non viven8) non hanno questa capacità, essendo che non possiedono un metabolismo e non può riprodursi autonomamente. Le cellule si evolvono da un progenitore comune e possono avere morfologia molto diversa, ma alcune funzioni sono comuni a tuBe le cellule: Accrescimento e divisione Trasformazione dell’energia da una forma all’altra e uso dell’energia per compiere 8pi diversi di lavoro Sede dell’informazione gene8ca, da cui dipende il metabolismo e la determinazione delle proprie struBure Scambi con l’ambiente Esistono due 8pi di cellule: PROCARIOTICHE à cellule prive di nucleo, genoma non compar8mentalizzato. Organismi estremamente semplici, svolge le stesse funzioni ma sempliﬁcate delle cellule eucario8che. Esistono solo organismi procario8 unicellulari. EUCARIOTICHE à cellule complesse, con organelli che provvedono al sostentamento della cellula, ognuno di essi è circondato da membrana, in modo da oBenere il correBo svolgimento delle funzioni vitali. Per gli eucario8 esistono organismi sia pluricellulari sia unicellulari (esempio: lievi8 per fermentazione, organismi unicellulari eucario8ci). ORGANISMI MONOCELLULARI Gli organismi monocellulari possono essere forma8 sia da cellule procario8che che eucario8che. La singola cellula è in grado di svolgere tuBe le funzioni necessarie per la sopravvivenza. ORGANISMI PLURICELLULARI Gli organismi pluricellulari sono cos8tui8 da cellule eucario8che. Al loro interno abbiamo una “suddivisione del lavoro”, per cui alcune cellule svolgono determinate funzioni che servono a tuBo l’organismo, mentre altre ne svolgono di diverse. Questa forma di specializzazione delle diverse cellule comporta che forma, struBura e componen8 interne siano diverse da cellula a cellula a seconda della funzione svolta —> DIFFERENZIAZIONE CELLULARE (eterogeneità). Due cellule possono avere gli stessi principi di base, ma essere diversi in funzione e forma, questo per il faBo che vengono aVva8 sia geni uguali sia geni diversi che provocano un cambiamento. In ordine di grandezza abbiamo: cellule procario8che, cellule eucario8che di organismi unicellulari e cellule eucario8che di organismi pluricellulari. COMPONENTI DELLA CELLULA EUCARIOTE è LA MEMBRANA Le membrane sono struBure fondamentali che hanno consen8to l’evoluzione di cellule complesse ProcarioG à membrana plasma8ca EucarioG à membrana palsma8ca che delimita il citoplasma, le membrane degli organelli che delimitano gli organuli intracellulari La membrana della cellula eucariote svolge diverse funzioni: - contorno e barriera di permeabilità: permeBe la formazione eﬀeVva della cellula - organizzazione e localizzazione della funzione: permeBe compar8mentalizzazione organuli - processi di trasporto: niente entra ed esce dalla cellula senza controllo - rilevamento del segnale: arriva dall’esterno, è un segnale captato da receBori di membrana (proteine di membrana) e conver8to all’interno - comunicazione cellula-cellula: vincolo cellula ad altre cellule o alla matrice cellulare (nel tumore questa funzione è persa ed è funzionale al processo di metastasi) Funzioni membrana biologica: delimitano le cellule rispeBo all’ambiente esterno e alle cellule vicine; le membrane biologico sono seleVvamente permeabili; assicurano la correBa composizione dei liquidi intracellulari; ricevono e trasmeBono segnali; assicurano l’adesione della cellula alle superﬁci extracellulari, alla matrice extracellulare e alle cellule vicine. MEMBRANA PLASMATICA AL MICROSCOPIO Le membrane viste al microscopio eleBronico sono spesse 75 A (25A parte scura, 25A parte chiara, 25A parte scura); questa alternanza tra parte scura e chiara, determina una struBura a binario ferroviario. COMPOSIZIONE CHIMICA La membrana presenta una doppia stru0ura fosfolipidica, formata da acidi grassi, che sono anﬁpa8ci (testa idroﬁla e coda idrofobica). Unendo il glicerolo (alcol) con tre acidi grassi aBraverso un’esteriﬁcazione (libera acqua), si forma un legame estere che genera i trigliceridi. GLI ACIDI GRASSI: ogni carbonio forma quaBro legami, due con H e due con C. l’acido grasso si dice saturo se ogni C ha massimo numero di legami con H, catena alifa8ca saturata; oppure insaturi se in uno dei pun8 della catena sarà presente legame doppio. Questo legame doppio genera delle curve e i C che ne fanno parte non saranno satura8 dall’idrogeno e ciò verrà deﬁnito: INSATURAZIONE; essa serve a limitare la capacità di interazione tra due fosfolipidi, così da conferire alla membrana maggior ﬂuidità (non si spezza). I lipidi sono forma8 da: acidi grassi + glicerolo (esteriﬁcazione = sintesi di un estere per reazione di condensazione che permeBe l’aggiunta di molecole di acidi grassi al glicerolo. Ogni molecola di acqua persa porta alla formazione di un legame estere). Il glicerolo è un alcol che presenta tre gruppi ossidrili lega8 ad una catena di tre atomi di C, ai gruppi ossidrili si possono esteriﬁcarsi ﬁno a tre acidi grassi: glicerolo + 3 acidi grassi = trigliceridi. Nelle membrane cellulari sono assen8 trigliceridi, il glicerolo della membrana esteriﬁca solo due acidi grassi, il terzo legame lo forma con un gruppo fosfato (rende polari i lipidi di membrana). Glicerolo + 2 acidi grassi + gruppo fosfato (legato ad una molecola polare) = fosfolipidi La parte polare del fosfolipide è il gruppo fosfato, che presenta una carica nega8va. Il fosfolipide ha una parte apolare (acidi grassi e glicerolo) e testa polare (gruppo fosfato legato ad una molecola polare). In base alla molecola polare legata al gruppo P, i fosfolipidi di membrana possono essere: Fosfodi8lcolina (gruppo fosfato lega la colina), Fosfodi8letanolammina (gruppo fosfato lega etanolammina), Fosfoﬁ8lserina (gruppo fosfato lega serina), Fosfo8dilinositolo (gruppo fosfato lega inositolo). DOPPIO STRATO FOSFOLIPIDICO: le teste polari (idroﬁliche) dei fosfolipidi si dipongono all’esterno e all’interno del doppio strato; mentre le code apolari (idrofobiche) verso l’interno; così da isolare il contenuto interno ed esterno, entrambi polari. La 8pologia di fosfolipidi che si trovano verso l’esterno e verso l’interno ha una diversa composizione chimica, perciò il doppio strato risulta asimmetrico. CARATTERISTICHE DELLA MEMBRANA PLASMATICA è FLUIDITÀ Se la membrana non fosse ﬂuida, non avrebbe eleBricità e si romperebbe. Per mantenersi suﬃcientemente ﬂuida la membrana non deve diventare rigida alle basse temperature, né disgregasi completamente ad alte temperature. Per mediare questa variazione si inseriscono fosfolipidi aven8 diversi acidi grassi con diversa saturazione, le code degli acidi grassi pesantemente curvate inibiscono le interazioni idrofobiche con molecole vicine diminuendo la ﬂuidità delle membrane. La ﬂuidità dipende: dalla percentuale di acidi grassi insaturi presen8 (irrompono la regolarità del doppio strato lipidico) e dalla presenza del colesterolo. Il colesterolo: la testa polare è un piccolo gruppo ossidrile cos8tuito da una struBura steroidea rigida ad anello e la coda idrocarburica non polare. Maggiore è la quan8tà del colesterolo maggiore sarà la ﬂuidità della membrana, a temperatura basse risulta eﬃcace perché inibisce un eccessivo irrigidimento. Il colesterolo è anche il precursore per la sintesi degli ormoni steroidei, la presenza di colesterolo rende le membrane dei serbatoi di cellule segnali. Esso è: è un componente essenziale della membrana cellulare di tuBe le cellule animali: aumenta la stabilità meccanica delle cellule ma diminuisce la permeabilità a piccole molecole idrosolubili. Si aggrega con alcune proteine della membrana cellulare formando vescicole in grado di trasportare il loro contenuto ai vari organuli cellulari Assieme con molecole proteiche regola lo scambio di sostanze messaggere tramite la membrana cellulare È coinvolto nella crescita e nella divisione cellulare È la sostanza base per la sintesi degli ormoni steroidei come aldosterone, cor8sone, testosterone, estradiolo È essenziale per lo sviluppo embrionale Viene prodoBo nel fegato viene impiegato in buona parte per la produzione di bile è ASIMMETRIA Non ha una simmetria ﬁnita. Le proteine di membrana hanno un verso di inserimento (receBori espongo superﬁcie extracellulare verso esterno) rendendo asimmetrica la membrana. LE PROTEINE DI MEMBRANA Le proteine di membrana possono essere: è Estrinseche (o periferiche): situate sulle superﬁci esterna o interna della membrana; possono essere meno ancorate ad un lipide di membrana è Intrisiche (o integrali): aBraversano da parte a parte il doppio strato lipidico (es. trasportatori) I TRASPORTI Media8 da traportatori di membrana speciﬁci per una natura chimica, aVvità metabolica u8lizzata quando si cerca di trasportare una determinata cellula contragrediente di concentrazione (trasporto aVvo, u8lizza energia metabolica, da zona meno concentrata a più concentrata). Classiﬁcazione: Diﬀusione semplice: avviene secondo gradiente di concentrazione (es: ormone steroidei) Diﬀusione facilitata: mediata da permeasi -> proteine canale e proteine veBrici (facilita entrata sostanza secondo gradiente di concentrazioni) Trasportatore uniporto: entrata una molecola per volta all’interno della cellula (proteina trasporto capta molecola da trasportare) Trasportatore simporto: trasporto accoppiato di molecole in un unico senso (possono essere diﬀusioni sia secondo gradiente di concentrazione sia contro gradiente di concentrazione) Trasportatore anGporto: trasporta due sostanze in senso opposto una all’altra POMPA SODIO POTASSIO Trasporto anGporto a`vo con dispendio di energia, pompe cellulari (pompa sodio potassio -> 3 molecole di sodio escono dalla cellula dove maggiormente concentrato e 2 molecole di potassio entrano nella cellula dove maggiormente concentrato. Trasporto contro gradiente di concentrazione e contro gradiente eleBrochimico). Il potassio è maggiormente concetrato all’interno della cellula e il sodio maggiormente concentrato all’esterno della cellula, questo equilibrio è fondamentale da mantenere per garan8re: - Eccitabilità cellula - Turgore ed osmolarità della cellula -> l’equilbrio di ques8 due ioni permeBe il mantenimento di una diﬀerenza di -60 mV di energia potenziale di membrana Le pompe protoniche mantengono la diﬀerenza di potenziale eleBrochimico -> carica nega8vamente il potenziale interno della cellula (potassio ione nega8vo). ORGANELLI DELLE CELLULE EUCARIOTE IL NUCLEO Il nucleo separa il DNA dal cytosol e la trascrizione dalla traduzione. Su di esso possiamo vedere dei pori che servono per scambi bidirezionali di sostanze (complesso proteico); infaV, da esso esce un gran numero di RNA maturo e entrano proteine. All’interno del nucleo troviamo la croma8na, cioè come si raggruppano i cromosomi (istoni + DNA), le proteine e il nucleolo (raccoglie i geni contenen8 rRNA). Con8ene il genoma, formato da 46 cromosomi (23 coppie), derivan8 metà dalla madre e metà dal padre essendo che sono cellule diploidi. La membrana nucleare è doppia, presenta due doppi stra8 fosfolipidici, tra di esse c’è il lume che si con8nua nel re8colo endoplasma8co, per questo anche il nucleo presenta dei ribosomi nella sua membrana. RETICOLO ENDOPLASMATICO reGcolo endoplasmaGco RUGOSO (presenta ribosomi): fa parte di un sistema di cisterne con8gue al nucleo, sede della sintesi proteica di: proteine des8nate all’esterno della cellula (proteine di secrezione, come insulina), proteine des8nate alle membrane e proteine lisosomali. reGcolo endoplasmaGco LISCIO: provvede alla sintesi dei lipidi e membrane, al metabolismo dei carboidra8, all’immagazzinamento Ca++(muscolo) e alla detossiﬁcazione (alcool, droghe nel fegato). COMPLESSO DI GOLGI Esso viene u8lizzato per la maturazione delle proteine provenien8 da vescicole di trasporto, le proteine vengono sinte8zzate nel re8colo endoplasma8co rugoso e arrivano nel Golgi per essere modiﬁcate e smistate (dal RER e dal Golgi escono proteine o direBe alla membrana o esterne alla cellula). Presenta una serie di cisterne appiaVte e vescicole. Presenta tre regioni: Golgi cis —> regione prossimale, riceve vescicole dal re8colo endoplasma8co rugoso, che vanno a fondersi Golgi medial —> avvengono le modiﬁche chimiche Golgi trans —> le proteine vengono dipar8te mediante vescicole verso membrane o esterno della cellula) Es.: proteina secretoria prodoBa dal RER, modiﬁcata nell’apparato del Golgi e secreta all’esterno della cellula. Secrezione insulina da parte delle cellule del pancreas: le vescicole che gemmano da trans Golgi sono a loro volta e8cheBate e direBe a speciﬁche regioni della membrana cellulare. LISOSOMI Responsabile della degradazione di macromolecole (proteine, polisaccaridi, grassi e acidi nucleici) ad opera di enzimi idroli8ci che operano in ambiente acido a pH5; infaV, servono a separare l’ambiente acido con quello del citoplasma. Aminoacidi e zuccheri che ne derivano vengono riu8lizza8 dalla cellula per fare nuova sintesi di proteine. Sono cos8tui8 da una membrana che serve pertanto a mantenere il pH acido in una regione delimitata della cellula. Presentano tre funzioni diverse, al termine delle quali si forma un lisosoma secondario: Endocitosi = nutrimento, captazione di materiale nutri8vo all’esterno della cellula mediata da vescicole, si fondono con il lisosoma primario che degrada in monomeri i materiali nutri8vi Fagocitosi = difesa Autofagia = rinnovamento cellulare, processo recente si occupa del rinnovamento di organelli cellulari. Organelli si degradano, quando sono vecchi vengono rimpiazza8, circonda8 da vescicole, le vescicole si fondono con i lisosomi primari e degradano organello PEROSSISOMI Nei perossisomi avvengono molte delle reazioni chimiche che producono H2O2 (acqua ossigenata o perossido di idrogeno, altamente tossica per la cellula) catalizzate da enzimi chiama8 PEROSSIDASI. In ques8 organuli sono anche presen8 gli enzimi che ritrasformano l’H2O2 in H2O: CATALASI. Essi sono limita8 da una singola membrana e sono importan8 per la compar8mentazione. Esempio: degradazione acidi grassi, detossiﬁcazione. MITOCONDRI Sito della produzione di ATP tramite metabolismo aerobio: respirazione cellulare. Possiede: Membrana esterna Spazio intermembrana: sede nella quale si ha l’aumento di concentrazione di protoni Membrana interna: protrude verso l’interno formando le creste mitocondriali, aumentano la superﬁcie. Sulle creste mitocondriali si trovano i complessi della fosforilazione ossida8va —> gradiente di protoni, che aumenta e provvede alla sintesi di ATP partendo da ADP. Matrice: con8ene il genoma del mitocondrio La glicolisi, nel citosol delle cellule, è un processo deputato alla sintesi di ATP da ADP, ma molto arcaico (u8lizzato dai procario8). La glicolisi porta una degradazione di glucosio a piruvato (3 C), i passaggi successivi avvengono nei mitocondri, dove il piruvato entra nel ciclo degli acidi carbossilici (ciclo di Crebs), viene degradato e oBeniamo il potenziale riducente (trasporto protoni dalla matrice allo spazio intermembrana). La forsforilazione ossida8va che parte dal piruvato è molto eﬃciente (propria cellula eucariote) ed è propria dei sistemi che richiedono energia metabolica essenziale per la vita. Teoria endosimbioGca dell’origine dei mitocondri = Il DNA del mitocondrio (organello avente DNA) è esaBamente faBo come quello dei procario8: DNA circolare e presenza di traV comuni. Il baBerio fagocitato da una cellula ancestrale eucario8ca portò alla formazione di un nuovo organismo avente due membrane (membrana mitocondrio fagocitato e membrana procariote) —> simbiosi mutualis8ca ha permesso l’evoluzione dei procario8 pluricellulari. DNA mitocondriale È circolare a doppia elica. Per ogni cellula vi sono migliaia di mitocondri, quindi di copie di DNA mitocondriale, ma i mitocondri hanno solo derivazione materna (nell’uovo entra solo la testa, contenete il nucleo, il resto viene degradato). Il DNA con8ene 37 geni: 13 codiﬁcano per proteine mitocondriali della fosforilazione ossida8va 22 per tRNA 2 rRNA Nel nucleo della cellula, nel DNA nucleare genomico, tra i 19mila geni sono presen8 che permeBono la sisntesi e l’aVvazione del mitocondrio. Le proteine mitocondriali codiﬁcate dal DNA mitocondriale vengono sinte8zzate nel mitocondrio. Le altre proteine necessarie alla catena respiratoria vengono sinte8zzate nel citoplasma e poi trasferite nel mitocondrio. CITOSCHELETRO Fibre del citoscheletro forniscono alla cellula una resistenza allo s8ramento e vincolano gli organelli nella loro posizione all’interno della cellula. Si occupa anche del trasporto interno della cellula (vescicole contenen8 ormoni...). Cos8tuite da: - Microtubuli: cavi interni, formano un eterodimero (composto da tubulina) polimerizza in maniera complessa formando super eliche di spessore diverso. Hanno una loro capacità di movimen8, hanno un’estremità + (cresce per aggiunta di monomeri di tubulina) ed un’estremità – (perde i monomeri); questa aggiunta e delezione provoca lo spostamento per polarizzazione estremità + e depolarizzazione estremità – - Filamen8 soVli di ac8na: proteina tubulare sferica, cos8tuita da monomeri di ac8na, formano doppia elica di ac8na - Filamen8 intermedi (ﬁbrille collagene): le unità struBurali sono complesse proteine ﬁbrose che creano impalcatura delle ossa, mutazioni geniche a questo livello determinano malformazioni ossee. Sono resisten8 a stress meccanici ed elas8ci (presen8 nella pelle). Cos8tuita da: cheraGna in cellule epiteliali; vimenGna in tessuto conneVvo, musocolo e cellule di sostengno del SN o neuroﬁlamenG in cellule nervose. Impediscono frazione del tessuto a seguito di stress meccanico I ﬁlamen8 del citoscheletro sono orienta8 in base ai criteri di forza e di resistenza. Le chinesine sono formate da quaBro catene polipep8diche (2 piccole e 2 grandi). Cos8tuite da piedi, cambiano conformazione (alternando idrolisi ATP) e camminano lungo i microtubuli. Fungono da binari, fondamentali per i neuroni (da soma verso sinapsi). LA CELLULA MUSCOLARE La contrazione muscolare permeBe ai vertebra8 di muoversi e di mantenere la posizione ereBa o seduta, grazie alla capacità dei muscoli scheletrici di accorciarsi e cambiare la posizione delle ossa. La muscolatura scheletrica compie dei movimen8 volontari ed è controllata dal sistema nervoso centrale. Esistono però altre 8pologie di muscolatura nel corpo che compiono movimen8 involontari come il muscolo cardiaco che permeBe al cuore di pompare ed i muscoli lisci che inducono per esempio la peristalsi intes8nale. IL TESSUTO MUSCOLARE MUSCOLO SCHELETRICO (striato) —> striatura dovuto a presenza di sarcomeri, presenta la maggior parte della massa corporea e è volontario, per la presenza di nervi cerebrospinali. Cellule muscolari scheletriche: cellula lunga, nuclei in posizione submembranaria (all’interno della membrana sarcoplasam8ca). Cellule polinucleate u8li per dirigere il funzionamento ﬁbra muscolare, è necessaria in molteplice copia per far arrivare alla totalità della cellula l’informazione trasmessa. È un sincizio, cioè si origina per fusione di diverse cellule (è in grado di cambiare il suo volume aﬃnché le cellule si fondono ad esse). In sintesi sono: Associate allo scheletro osseo Cos8tuito da ﬁbre muscolari (sincizi mul8nuclea8) Innervato dai nervi cerebrospinali -> contrazione volontaria MUSCOLO LISCIO: muscolo dei visceri nella tonaca dei vasi sanguini, fondamentale per processi come la peristalsi diges8va. Non è striato, le ﬁbrille contraVli non sono organizzate in sarcomeri; perciò, è involontario e non c’è necessità di costruzione del modulo contraVle. Riveste la parete di numerosi vasi, nella parete tubolare di numerosi organi, nel traBo digerente. Cellule muscolari lisce: ﬁbre contraVli presen8 ma non disposte in maniera metodica. Cellule mononucleate e fusiformi. La contrazione involontaria innervazione del SN autonomo riveste la parete di numerosi vasi, nella parete tubolare di diversi organi nel traBo. Se i nuclei fossero all’interno presenterebbe una distroﬁa muscolare (centralizzazione di nuclei interferisce con l’unità contraVle, la possibilità di movimento ridoBa, ﬁbra aberrante). Mioﬁbra: unità di base della ﬁbra muscolare. Svolge la funzione del tessuto conneVvo che circonda le ﬁbre: far convergere i vasi sanguigni, linfa8ci e nervi all’interno della ﬁbra muscolare. - Epimisio: guaina che riveste tuBo il muscolo; conneVvo meno denso irregolare, ricco di collagene - Perimisio: guaina che riveste i fasci di ﬁbre muscolari, fascicoli; conneVvo meno denso deriva dall’epimisio - Endomisio: guaina che riveste le singole ﬁbre muscolari; ﬁbre re8colari e lamina esterna (lamina basale) La maggior parte del sarcoplasma è occupata da proteine contraVli organizzate in mioﬁlamen8 che sovrapponendosi gli uni con gli altri formano i sarcomeri (unità funzionale contraVle del muscolo scheletrico). I sarcomeri sono poi uni8 tra loro da struBure proteiche chiamate strie Z a cos8tuire una mioﬁbrilla, più mioﬁbrille formano il citoscheletro sarcomerico che svolge le funzioni contraVli. Mioﬁbrille: StruBura subcellulare, ﬁbra di proteine (insieme di sarcomeri) all’interno della ﬁbra muscolare. La striatura è dovuta alla mol8tudine delle striature del sarcomero (unità fondamentale della contrazione): o Disco Z: separa i due sarcomeri (presen8 alle estremità), proteine in grado di sopportare la contrazione, uniscono le estremità dei ﬁlamen8 di ac8na dando integrità struBura alla ﬁbrilla o Banda chiara/ banda I: presenza sola ac8na, quando non è contraBo. La densità della struBura biologica è minore o Linea M: pun8 dove le code di miosina si riuniscono o Banda scura/ banda A: sovrapposizione di ac8na e maggioranza di miosina, resistenza a passaggio eleBroni (visibile in nero). Le teste contraVli di miosina sono esposte verso la periferia del sarcomero, individuate dalla forte capacità di respingere eleBroni (parte più densa, totalmente nera) Le code di miosina interagiscono nella porzione mediana del sarcomero, mentre le teste interagiscono con il ﬁlamento di ac8na (svincolate se il muscolo non è contraBo, vincolate quando arriva lo s8molo nervoso per la contrazione). I mitocondri di queste cellule si dispongono lungo le mioﬁbrille in modo da rendere immediatamente disponibile l’ATP ai sarcomeri. Nella cellula muscolare striata scheletrica è par8colarmente sviluppato il re8colo endoplasma8co liscio che in queste cellule accumula ioni Ca2+ e li versa nel sarcoplasma per aVvare la contrazione: concertazione di calcio elevata sia all’interno della cellula sai all’interno del re8colo sarcoplasma8co. Le proteine dei sarcomeri principalmente coinvolte nella contrazione muscolare sono la miosina, l’ac8na, la troponina e la tropomiosina. La miosina (eterotetramero) è formata da due catene pesan8 e due catene leggere. Le catene pesan8 della molecola sono avvolte l’una sull’altra con le loro code a α-elica ed appaiano le due teste, mentre le catene leggere formano degli anelli nella regione del collo. L’acGna è sinte8zzata come proteina globulare, una catena polipep8dica con struBura a U, con in mezzo una cavità che lega l’ATP. Le singole molecole di ac8na polimerizzano a formare dei microﬁlamen8 compos8 da due catene parallele avvolte una sull’altra a formare un’elica. Le molecole di ac8na sono poi in grado di legare molte proteine che ne modiﬁcano la funzionalità come la troponina e la tropomiosina. (f-ac8na -> ac8na quando forma i poliemri, porzine ac8na ﬁbrillare. Sciolta dalle ﬁbrille, ac8an globurlae -> g-ac8na) La troponina è una proteina ﬁbrillare piccola, ricopre in tuBa la lunghezza i domini di ac8na necessari per sito aggancio della miosina. Complesso di 3 catene polipep8diche, interagisce sia con l’ac8na sia con la miosina. All’arrivo del calcio: lo s8molo nervoso fa entrare gli ioni Ca aumentandone la concentrazione a livello della ﬁbra, a seconda dalla presenza o dell’assenza di calcio la troponina cambia la conformazione. Le tre catene polipep8diche sono: - Tn – T —> lega la troponina alla tropomiosina - Tn – I —> lega la troponina all’ac8na’a Tina, inibisce l’interazione miosina-ac8na - Tn – C —> sito di aBacco per il calcio; quando si lega al cvalciocalcio porta ad una serie di cambiamen8 conformazionali della troponina, che muovono la tropomiosina e liberano il sito di legame della miosina e dell’ac8na. La tropomiosina è una proteina ﬁlamentosa che nasconde i si8 dell’ac8na globulare dove si aBacca la miosina nel momento in cui cambia la conformazione. Proteina che inibisce la contrazione impedendo il legame miosina – ac8na. In posizione di riposo la tropomiosina ricopre si8 dove il monomero di ac8na è in grado di vincolare la testa della miosina dur

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